金屬斷裂面的損壞類型與破裂面分析的課題解決
產品中的金屬材料，會因為使用或周圍環境因素而破損。觀察並正確捕捉斷面進行分析，才能特定出破損的原因。
特別是在汽車、航太等安全性極為重要的領域，材料品質將成為安全性的基礎。
以下說明金屬材料的斷面分析方法、斷裂類型和斷面的特徵。並介紹4K數位顯微鏡解決以往顯微鏡面臨的難題。
金屬斷面的破損原因
鋼鐵、銅、鋁合金等金屬材料，在各產品中皆有廣泛的應用。
以汽車產業與航太相關領域為例，近年盛行研究高功能的新材料，包含節能、小型、輕量以及高剛性的要求。汽車等交通領域，若金屬材料破損則可能發生危及性命的風險，必須根據強度計算來挑選材料並進行安全設計。
選定金屬材料時，會針對應力進行各種材料試驗。
代表性的試驗方法如下。
- 機械性試驗：
- 抗拉試驗、彎曲試驗、壓縮試驗、剪斷試驗、蠕變試驗、磨損試驗等
- 硬度試驗：
- 擠壓硬度試驗、動態硬度試驗
- 化學性試驗：
- 腐蝕試
針對以上材料試驗或產品出貨使用後破損的金屬材料，必須進行組織觀察（破裂面分析）調查破損原因和素材基礎特性，從而評估、選定或改善材料。
破裂面分析的種類
斷裂分析透過組織觀察，調查金屬材料如何破壞(斷裂面樣式或破壞型態)從各角度觀察材質、製程、形狀、使用狀況等，判斷主要原因。斷裂面的組織觀察有多種方式，但金屬材料主要的斷裂面分析方法如下。
宏觀觀察
以肉眼或低倍率放大鏡與立體顯微鏡等進行分析。在發生破損的現場即可執行，得以區別破壞種類與有無海灘紋等大致的原因。但僅限巨觀觀察，無法仔細調查破損的的成因。
微觀觀察
微觀觀察是用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）等，透過斷裂面的組織觀察微觀特徵。捕捉各種斷裂面特徵，仔細調查斷裂類型。
金屬材料的破壞類型
破壞類型（破壞形態）可分類為「延性（塑性）破壞」「脆性破壞」「疲勞破壞」「環境破壞」。巨觀觀察、微觀觀察可別了解斷裂面的特徵，調查破損原因。以下說明各破壞類型的概要，和斷裂面的要點。
延性破壞（塑性破壞）
延性（塑性）破壞是大多數金屬材料可見的破壞類型，在破壞前可看到延展或頸縮等的大變形。組織觀察中可看到如下特徵。
- 斷裂面的特徵
-
- 巨觀觀察：
- 剪裂唇（剪斷破壞、最終破斷部）、鈍灰白色
- 微觀觀察：
- 等軸韌窩（抗張破壞）、伸長韌窩（剪斷破壞）、扭曲條紋圖案（滑動面破壞）
脆性破壞：
脆性破壞是幾乎無塑性變形，屬於龜裂高速轉移的破壞。龜裂進行時，斷裂面周邊不會伴隨塑性變形。多數鋼鐵材料在一般使用下會發生脆性破壞。其斷裂面大多由「潛在劈裂破壞面」構成，常見於大型調質鋼或攝氏零下數十度的環境中的一般結構用鋼等。
- 斷裂面的特徵
-
- 巨觀觀察：
- 銀白色的耀眼反射、人字型圖案（山形圖案：晶粒內型急速破壞）、龜裂的進展方向為放射狀圖案
- 微觀觀察：
- 潛在劈裂破壞面、河流圖案、粒狀破裂面、複雜破裂面
疲勞破壞
疲勞破壞是因承受反覆負載，龜裂逐步進展的破壞，據說7成以上的機械構造物的破壞樣式都是疲勞破壞。
破損的材料外觀看不到伸展或頸縮，很像脆性破壞，但在微觀觀察中可見明顯的塑性變形。
相較於其他破壞樣式，斷裂面平滑面較多，巨觀的特徵就是看得到「海灘紋（貝殼狀圖案）」。由海灘紋的樣子可了解破壞開始的部位和龜裂的進展方向。
此外微觀的特徵以條紋圖案「條痕」為代表。這是垂直於龜裂進展方向的條紋圖案，常見於鋁合金或銅合金等，較少見於鐵系合金。
- 斷裂面的特徵
-
- 巨觀觀察：
- 海灘紋（貝殼狀圖案）、棘倫紋（複數應力集中部位）、魚眼（破壞的起點）、龜裂的進展方向為放射線狀圖案
- 微觀觀察：
- 條痕（對應應力週期）、條痕狀圖案（不對應應力週期）、2次裂痕、擦痕或無特徵破裂面
環境破壞
環境破壞是因腐蝕性環境導致龜裂進展而發生的破壞。因此即使外部應力極小，也可能發生破壞。
代表性的環境破壞有「氫脆」和「應力腐蝕裂紋」。
- 氫脆
- 又稱為「延遲破壞」，常見於鋼鐵材料。為侵入材料的氫導致的脆化現象，代表例如焊接或電鍍等部材的製造製程中氫侵入，及使用環境中的腐蝕反應導致侵入。
- 應力腐蝕裂紋
- 好發於以奧氏體不鏽鋼為材料的事故中。特別是在有C1-離子的使用環境中，常引發晶粒內型破壞，不鏽鋼以外的金屬如純銅、黃銅、鋁合金等則引發晶間破壞。
- 斷裂面的特徵
-
- 氫脆
-
- 巨觀分析
- 銀白色的耀眼反射
- 微觀分析
- 粒狀截面、髮絲紋
- 應力腐蝕裂紋
-
- 巨觀分析
- 部分反射、生鏽變色
- 微觀分析
- 粒狀破裂面、羽毛狀圖案
- 高溫破壞
-
- 巨觀分析
- ー
- 微觀分析
- 粒狀破裂面、韌窩、縮孔
破裂面分析的課題和解決
如前所述，斷裂面的觀察不只要有巨觀觀察，也需採取微觀觀察，可更詳細地調查破壞類型，了解破壞的原因和樣貌。大多數情形下微觀觀察會使用顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）等，但在金屬材料的破裂面分析中存在一些課題。
能解決這些課題，高精細地捕捉各種破壞類型，進行更確實的破裂面分析，即為充分運用最尖端的光學技術和視覺系統（CMOS）、影像處理技術的「4K數位顯微鏡」。
在此介紹使用KEYENCE的超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」解決破裂面分析課題的案例。
去除金屬斷裂面的光暈
以往的課題：一般光學顯微鏡
金屬斷裂面漫射光產生光暈，有時難以進行龜裂的觀察。有時會因無法看清楚而忽略龜裂，造成分析錯誤。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
透過「消除光暈功能」可抑制不需要的反射，清晰地捕捉到金屬斷裂面的細微龜裂。
凹凸不平的金屬斷面也能對整體全對焦
以往的課題：一般光學顯微鏡
金屬材料的斷裂面多為立體形狀。為了從斷裂面眾多的凹凸中，各別觀察其特徵，必須多次調整焦距，分析極為耗時。也有無法根據全貌進行綜合觀察。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
透過「即時景深合成」功能，可對金屬斷裂面整體對焦。可縮短多次對焦的時間外，還可觀察、評估斷裂面的各種複合性特徵。
不受陰影及角度影響的細節分析
以往的課題：一般光學顯微鏡
金屬斷裂面的凹凸形狀不易對焦，陰影為止因角度而異，不利照明條件的設定，極為耗時。並且僅以1種照明條件的取得的影像資料，也難以說明破壞類型。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
只要按一鍵，即可自動取得全方位照明資料的「多重照明功能」，能選擇最適合組織觀察的影像。
在選擇、標出拍攝的影像後，各照明條件的影像資料會儲存在電腦中。簡單的滑鼠操作，即可調出不同照明條件的影像。
起伏變化微小的細微形狀也變得清晰
以往的課題：一般光學顯微鏡
有些金屬斷裂面的破壞類型，起伏很淺。破裂面分析較費時，會因為對比過低而無法順利觀察。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」
結合專用設計的高解析度HR鏡頭和4K CMOS、照明的全新觀察方法「光影模式（Optical Shadow Effect Mode）」，分析由複數方向的照明所拍攝的對比變化。
連金屬斷裂面微小的凹凸也可清晰觀察不遺漏。此外將色彩資訊與光影效果影像合成，還可透過顏色顯示凹凸資訊。
破裂面分析的水準提升和效率化
使用高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」，輕鬆掌握一般顯微鏡或SEM無法順利觀察的金屬斷裂面。
大幅縮短花費於金屬材料的破裂面分析上的時間，加速品質改善週期和研究開發，作業效率大幅超越一般顯微鏡或SEM。並可留下正確掌握金屬斷裂面特徵的影像資料，利用過往的傾向與比較，順利的執行材料選定、改善。
配備多種最尖端功能的「VHX系列」，成為以研究開發為首的高規格破裂面分析與組織觀察效率化的強力夥伴。詳細說明請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
